【摘要】介紹了微量氣體分析系統(tǒng)的復雜性，分析了分析儀器在應用過程中的各種影響因素和干擾因素，具體闡述了分析儀器的校驗和驗證，最后指出合格的分析工程師要不斷納新、提高分析技術。

關鍵詞：空分設備；氣體分析；儀器；微量；影響因素；干擾因素

中圖分類號：TQll6．02 文獻標識碼：B

近些年來，隨著國內(nèi)空分設備向大型化發(fā)展，為了適應大中型空分生產(chǎn)管理及質(zhì)量管理的需要，與之配套引進的氣體成分分析儀器的數(shù)量和種類越來越多。這些先進的氣體分析儀器對空分生產(chǎn)管理及氣體產(chǎn)品質(zhì)量的提高起到了一定的促進作用。但是，由于一些歷史上的原因，大多數(shù)從事分析儀器應用和管理的人員都是來自熱工儀表、自動化工程及儀器制造專業(yè)和部門，他們沒有從事過或較少接觸和研究過氣體分析儀器的選型和應用技術，因此一些企業(yè)對進口的儀器設備選型不當，儀器功能不能滿足生產(chǎn)需要，在經(jīng)濟上造成浪費。另一方面，進口氣體分析儀器作為一類高科技產(chǎn)品和高靈敏度、高精度的科技工具，往往由于對其使用要求認識不足及人員操作水平不高而應用不好，對空分生產(chǎn)及全面質(zhì)量管理不能發(fā)揮應有的作用。以上這些問題在目前國內(nèi)空分行業(yè)較普遍地存在，這一問題不妥善解決，則大中型空分的管理水平難以提高，空分設備安全、氣體質(zhì)量(尤其是高純氣體的質(zhì)量)也難以有效地得到保障。

1 氣體分析儀器應用是一項專業(yè)技術

氣體分析儀器(本文專指為微量氣體分析用的儀器)是一種用來進行氣體成分分析檢驗的工具，借助它能得到某些成分種類和含量的數(shù)據(jù)。但是，氣體分析儀器不是一種簡單的工具，它既不像流量計、壓力表那樣結構簡單，也不像各種熱工儀表那樣易于操作使用。它是一類結構復雜、使用技術難度較大的工具，使用氣體分析儀器是一項較復雜且不易掌握的專門技術。

一般地說，氣體分析儀器應用本身是一門獨特的技術工作，而且是一種具有研究性質(zhì)的工作。但是，這一點是不為行外人所認知和理解的。目前為止，國內(nèi)空分行業(yè)氣體分析儀器應用的技術水平與石化行業(yè)及化工化肥行業(yè)相比，仍然停留在初級階段，難以快速提高和發(fā)展，主要原因正在于此。

2 氣體分析儀器應用難點分析

關于氣體分析儀器應用的難點，從以下幾方面分析可以概略地了解一二。

2．1 氣體分析是實現(xiàn)一系列的化工過程

一臺氣體分析儀或一套氣體分析系統(tǒng)相當于一套完整的化工工藝設備，因此，氣體分析儀器系統(tǒng)工作過程就是在實現(xiàn)一系列的化工過程。若想通過氣體分析得到準確數(shù)據(jù)，就必須了解這一系列化工過程中各階段的情況及變化，認真研究并掌握其中的規(guī)律，只有這樣才能達到準確測定的目的。應當指出，不僅在一臺氣體分析儀器內(nèi)部具備一套化工工藝過程的同樣情況和條件，而且，有時在儀器前級的樣氣預處理部分(含取樣系統(tǒng))也同樣是一套化32212藝過程。如遇到較復雜、較特殊的工藝技術條件的話，那么樣氣預處理系統(tǒng)所體現(xiàn)的化工過程還是非常復雜的，相當于一個小化工廠的凈化處理工藝過程。由此可見，氣體分析的過程就是在了解并掌握整個化工過程系統(tǒng)條件的前提下，嚴格控制各種影響測定條件的因素，從而得到工藝及管理人員所需要的準確數(shù)據(jù)。

2．2 應用過程中控制影響因素和排除干擾因素困難較大

在儀器應用的過程中，影響因素種類較多且變化較復雜，而要想有效地控制這些影響因素及排除干擾測定的因素則困難比較大。例如微量氧的測定，不但要嚴格控制系統(tǒng)材質(zhì)和密封，而且系統(tǒng)的潔凈等諸多因素也必須逐一解決好，否則，氧成分分析不會得到準確的測定結果。而對于氣體中微量水含量的測定，除了考慮以上提到的各種影響因素外，還必須考慮到樣氣中的水在管道內(nèi)的吸附平衡問題，而這一問題的妥善處理必須依靠反復試驗，了解其變化情況和規(guī)律，掌握其中的操作技術，以便得到準確無誤的結果。當然，使用氣相色譜儀測定高純氣體中ppm—ppb級雜質(zhì)成分含量要考慮和控制的影響因素就更加復雜了。

2．3 微量氣體成分分析的影響因素更復雜

氣體成分在管道及設備中流動時發(fā)生的微觀變化是復雜的、多變的。在常量氣體成分分析時可以忽略的諸多影響因素，在微量氣體成分分析時不僅不能忽略，反而必須認真對待，此時，這些因素已經(jīng)成為影響微量氣體成分分析正確結果的主要矛盾，必須逐一排除和解決才能使微量氣體分析儀器工作順利完成。這些影響因素主要包括以下幾個方面：①取樣管路內(nèi)氣體多次的反復混合；②管壁與氣體成分的物理化學作用；③管路材質(zhì)；④管路連接方式；⑤管路潔凈程度。

2．4 儀器和方法驗證是獲得準確數(shù)據(jù)的關鍵之一

儀器作為一種計量檢測工具，在正常運行情況下，給出的數(shù)據(jù)絕大多數(shù)都是相對量值，測定數(shù)據(jù)是否準確及準確的程度(精度)，儀器本身是無法提供的，也是無法證實的。必須依靠外圍技術工作完成，這就是分析數(shù)據(jù)的驗證工作。

(1)儀器線性關系的驗證。首先，為確保儀器的正常運行，分析儀器作為計量儀器的一種，必須每年經(jīng)過權威計量部門按照國家制訂的規(guī)程進行檢測，方能許可使用。同時，每年還需要用系列標準氣體檢查儀器在整個線性范圍內(nèi)的線性關系是否保持正常的狀態(tài)。否則盲目相信分析儀器(即使是進口儀器)的完好程度肯定會使錯誤的數(shù)據(jù)導致生產(chǎn)管理及質(zhì)量管理上的失誤。

(2)誤差分析。在分析儀器的應用過程中，對于每一次測定結果的數(shù)據(jù)，必須作出誤差分析，以確定數(shù)據(jù)分析的真實性、可靠性和可信程度。一個合格的分析工作者是不會也不應該隨隨便便地把每次分析測定的結果上報或公布的。一般是在測定結果得出后，經(jīng)過誤差分析，在確定分析數(shù)據(jù)的誤差總和小于規(guī)定的允許誤差時，才將這一個(或一組)數(shù)據(jù)視為正確測定結果上報或公布。否則，不準確的數(shù)據(jù)會給生產(chǎn)管理者帶來嚴重的不良后果。

(3)定量分析常用的儀器校正。氣體分析儀作為一種定量分析儀器，在做定量分析前必須使用標準氣進行校正(或標定)。標準氣一般是從國家計量部門或合法工廠購買的，在特殊情況下，也可以自行配置(但要具有配置標準氣的資格和能力以及相關的設備)。標準氣保質(zhì)期為一年，在使用標準氣校正分析儀器時，還必須深入了解正常手續(xù)和使用規(guī)律。如果購買和使用不合乎要求的標準氣，會導致分析數(shù)據(jù)的極大偏差。如果對標準氣的使用要求不甚了解，也會因得不到準確數(shù)據(jù)結果，給空分生產(chǎn)帶來麻煩。

2．5 分析工程師要不斷改進和提高分析檢測技術

一個合格的分析工程師需要不斷學習和研究分析儀器的新技術及儀器分析新技術，并及時將其應用到本職工作中，以達到不斷改進和提高分析檢測技術的目的。一個分析工程師不但要能夠盡可能搞好現(xiàn)有設備的應用，而且還應當在對現(xiàn)今使用的儀器原理、結構及性能深入了解的基礎上，隨時吸收國外及國內(nèi)先進分析技術，不斷技術創(chuàng)新，進一步完善并提高現(xiàn)有儀器的檢測水平，而不只是滿足于簡單操作。

3 結束語

總之，微量氣體分析是一項專門技術，也是門帶有研究性質(zhì)的工作，它決定著氣體分析儀器應用效果和水平。微量氣體分析技術又是一門實科學，必須經(jīng)過大量的實驗實踐才能摸索出其中化的規(guī)律性，才能很好地掌握它，并圓滿解決各具體的微量氣體分析課題。這也是在20世紀6070年代開始研制高純氣體時，我國第一代氣體析工作者的經(jīng)驗總結。他們幾十年的氣體分析實得出的這一結論應該引起后人的重視。我們希望分行業(yè)氣體分析技術工作者能夠在空分飛速發(fā)展新形勢下，獲得更快更大的發(fā)展。

作者簡介：張丙新(1938- )，男，高級工程師，1964年畢業(yè)于北京化工大學，曾工作于北京氧氣廠，現(xiàn)為北京賽思瑞泰科技有限公司空分儀器配套部經(jīng)理，著有《氣體分析基礎和方法》一書。

    尿液分析儀是測定尿中某些化學成分的自動化儀器，它是醫(yī)學實驗室尿液自動化檢查的重要工具，此種儀器具有操作簡單、快速等優(yōu)點。

    工作原理

    此類儀器一般用微電腦來控制，采用球面積分儀接受雙波長反射光的方式測定試帶上的顏色變化進行半定量測定。

    試劑帶上有數(shù)個含各種試劑的試劑墊，各自與尿中相應成分進行獨立反應，而顯示不同顏色，顏色的深淺與尿液中某種成分成比例關系，試劑帶中還有另一個“補償墊”，作為尿液本底顏色，對有色尿及儀器變化所產(chǎn)生的誤差進行補償。

    將吸附有尿液的試劑帶放在儀器比色槽內(nèi)，試劑帶上已產(chǎn)生化學反應的各種試劑墊被光源照射，其反射光被球面積分儀接收，球面積分儀的光電管被反射的雙波長光（通過濾片的測定光和一束參考光）照射，各波長的選擇由檢測項目決定。

    儀器按下列公式自動化計算出反射率，然后與標準曲線比較，自動找印也各種成分的相應結果，尿液中某種成分含量高，其相應試劑墊的反射光較暗，否則較強。

    反射率分式：R（%）=Tm.Cs/TsCm×100%

    式中的R（%）為反射率；Tm為試劑墊對測定波長的反射強度；Ts為試劑墊對參考波長的反射強度；Cm為較準墊對測定疵長的反射強度；Cs為校準對參考波長的反射強度。

    分類

    （1）按工作方式分類 可分為濕式尿液分析儀和干式尿液分析儀。其中干式尿液分析儀主要用于自動評定干試紙法的測定結果，因其結構簡單、使用方便，臨床普遍應用。

    （2）按測試項目分類，可分為8項尿液分析儀、9項尿液分析儀、10項尿液分析儀、11項尿液分析儀、12項尿液分析儀、13項尿液分析儀和14項尿液分析儀。

    檢測項目包括尿蛋白、尿葡萄糖、尿pH、尿酮體、尿膽紅質(zhì)、尿膽原、尿潛血、亞硝酸鹽、尿白細胞、尿比重、維生素C和濁度。

    （3）按自動化程度分類 可分為半自動尿液分析儀和全自動尿液分析儀。

    但是尿液分析儀人使用不當和許多中間環(huán)節(jié)及影響因素都直接影響自動化分析結果的準確性，不僅會引起實驗結果的誤差，甚至延誤診斷因此要求操作者對尿液分析儀的原理、性能、注意事項及影響因素等方面的知識在有充分的了解，正確地使用尿液分析儀，這樣才能使尿液分析儀得出的結果更可靠、準確。

    連續(xù)污染物排放監(jiān)測系統(tǒng)CEMS自上世紀八十年代應用于國內(nèi)的排放監(jiān)測以來，在國內(nèi)逐漸建立起對污染物的排放監(jiān)測網(wǎng)絡，系統(tǒng)安裝總數(shù)也接近兩萬套。其中多數(shù)采用了直接抽取式取樣加紅外氣體分析的方法。隨著國家對污染源控制的加強，實際排放濃度逐年降低，這對紅外煙氣分析儀器的適用性提出了更高的要求。尤其是在高濕低濃度條件下，對紅外氣體分析儀的測試精度、分辨率、抗干擾性提出了更高的要求。
    紅外煙氣分析儀受水分干擾的消除方法
    由于煙氣排放中的水含量是影響二氧化硫和氮氧化物測定的主要干擾物（水分干擾直接影響了儀器的測量精度。這也是為什么部分紅外氣體分析儀在實驗室條件下使用標準氣檢定時合格，在CEMS現(xiàn)場測試卻達不到要求的原因。
    通常CEMS系統(tǒng)取樣中采取冷干法脫除水分，以防止水分冷凝和水分干擾，但由于排放工況的變化和冷凝效率的原因，冷凝器的出口露點往往存在波動。在高濕低濃度條件下，水分的干擾往往超過了儀器本身的測量誤差，干擾誤差尤為明顯。
    消除水分干擾誤差的方法通常兩種：
    采用脫水裝置；
    設置水分傳感器并進行軟件補償。
    采用脫水裝置的方法有采用高效干燥劑如無水高氯酸鎂，或者采用NAFION膜式干燥管。其主要問題在于需要經(jīng)常更換，人為增加了運行維護成本。儀器生產(chǎn)廠家也有可能在檢定時使用脫水裝置，但是在運行時為減少運行費用不采用該裝置，造成實際運行中的性能改變，導致CEMS監(jiān)測數(shù)據(jù)不確定度增加。 采用水分傳感器軟件補償?shù)姆椒ㄒ话阒恍拚泓c的水分干擾，且低端的分辨率較低。對于同時含水和含SO2,NO的氣體的修正精度很差。
    此外對于NO分析儀，由于在相同的氣室長度下，NO的分辨率低于H2O的分辨率，采用水分傳感器修正的方法對NO會造成很大的誤差。 那么如何真正有效降低水分對紅外分析儀測量的影響呢？紅外煙氣分析儀在傳統(tǒng)微流紅外傳感器的基礎上，增加了調(diào)水機構。它是通過將不同溫度下的飽和空氣依次通入紅外傳感器，通過調(diào)節(jié)調(diào)水機構，使得含有非冷凝水的氣體與N2的信號一致。同時通過硬件調(diào)節(jié)及線性修正，來消除H2O（氣）對SO2、NOx的干擾。進一步實驗結果還表明，通過該方法調(diào)節(jié)后的傳感器可以滿足各種水分含量條件下的水分干擾消除，干擾的程度可控制在5ppm以內(nèi)。
    低量程紅外煙氣分析儀分辨率的檢定 紅外測量原理是基于郎伯比爾定律，即通過吸收光強的變化測定氣體濃度。當氣體濃度較小時，光強變化也小，若傳感器分辨率不夠，就無法響應濃度的變化。 很多儀器為提高零點穩(wěn)定性，會采用不同的算法，以保證減小零點的波動；還有如前所述，為了補償水分的干擾影響，也會采用零點補償方式。這樣的直接結果就是零點附近儀器沒有反應。 實際應用中低量程儀器的***大量程要求不高于200ppm，為保證測量可靠性，實際的分辨率應不大于1ppm。 檢定時可采用10ppm的標準氣體（SO2,NO），利用氣體分割器（配氣儀）將濃度控制在5ppm，通入儀器內(nèi)，讀取儀器的測量結果A，此后利用配氣儀將濃度控制在4.9ppm，讀取儀器的讀數(shù)B,連續(xù)多次（3次以上）測量得到A,B的平均值，兩平均值的差就是儀器實際的分辨率。 只有解決水分干擾和分辨率的問題，煙氣分析儀才能真正滿足高濕低濃度的測量要求，真正有效實現(xiàn)監(jiān)控污染物排放，為減排提供切實準確的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。 在CEMS煙氣分析儀使用過程中紅外線分析儀必須去除水分的影響，所以在預處理過程中一般雙路冷凝器比較保險，還有弱酸性液體對分析儀的影響也要考慮。

上一篇：插入式渦街流量計比對方法探討 ...

下一篇：冷熱沖擊試驗箱技術參數(shù)